面向高效低碳的车削加工切削参数多目标优化研究

【摘要】当前,社会经济发展面临着地球资源锐减和环境恶化的严峻新挑战,高效低碳制造已成为制造业适应社会需求、应对激烈竞争的重要方式。金属切削加工是最主要的机械加工方式,而车削加工约占切削加工的20%-35%。在车削加工过程中,切削速度、进给量和切削深度的选择对加工效率和加工过程碳排放具有重要影响。本文在分析数控车削加工过程中能耗特征、切削参数及加工时间之间关系的基础上,研究建立了面向高效低碳的车削加工参数多目标优化模型,以典型型号数控机床车削参数优化为例,采用改进型非支配排序遗传算法(NSGA-II)优化求解,进而分析了刀具材料、工件材料和工件尺寸等对优化结果的影响,为数控车削机床高效低碳切削参数选择提供支持。首先,将车削加工过程能耗分为机床启动能耗、辅助加工能耗和去除材料加工能耗,引入电能碳排放因子、刀具碳排放因子和切削液碳排放因子,从能源、物料和废弃物三方面研究了车削加工过程中的碳排放组成,建立了车削加工过程碳排放计算模型；根据实际切削加工时切削深度的特点(每次走刀切削深度不一定相同),研究了切削速度、进给量和切削深度与加工时间的关系,计算辅助时间时考虑加工过程空行程时间,获得了更加符合实际的车削加工工时计算模型。以最低碳排放、加工工时为优化目标,以机床、刀具和加工质量等参数为约束条件,建立了高效低碳车削加工切削参数多目标优化模型,为高效、低碳切削参数优化选择奠定基础。其次,根据高效低碳车削加工参数多目标优化模型特点,运用改进型非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行优化计算,获得Pareto最优解集,研究利用引入碳税的加工成本模型构建效用函数选择最优解。以CK6136机床加工某零件为例,分析加工时切削参数对碳排放和加工时间的影响规律,并进一步分析了刀具材料、工件材料和工件尺寸对优化结果的影响。结果表明：(1)可通过选择稍小进给量和较大切削速度实现高效低碳加工；(2)相比高速钢刀具,硬质合金刀具在加工生产过程中产生的碳排放和加工时间更小；(3)在高效低碳加工方面,恒切削速度加工比恒转速加工更有优势。最后,在上述研究的基础上,利用VisualBasic6.0开发了相应的高效低碳车削加工参数多目标优化界面,为加工过程切削参数优化选择提供技术支持。通过CK6136机床加工零件在优化前后产生的碳排放和加工时间对比分析,验证了模型的合理性、准确性。
【作者】杨云；
【导师】林成新；王喜运；
【作者基本信息】大连海事大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】低碳制造；车削加工；高效低碳；切削参数；多目标优化；

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